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第一章 引论 1

1.1 引言 1

1.2　计算机控制系统的一般组成 2

1.2.1　硬件组成 2

1.2.2　软件组成 3

1.3　计算机控制系统的一般类型 3

1.3.1　巡回检测和数据处理系统 3

1.3.2　直接数字控制系统（DDC） 4

1.3.3　监督控制系统（SCC） 5

1.3.4　集散控制系统（DCS） 5

第二章　信号的采样与复现 7

2.1　连续信号的采样和星号拉氏变换 7

2.1.1　连续信号的采样 7

2.1.2　理想采样开关的数学描述 7

2.1.3　利用卷积积分计算星号拉氏变换 9

2.1.4　星号拉氏变换F＊（s）的特性 10

2.1.5　香农采样定理 12

2.2　信号的复现与保持器 13

2.2.1　信号的复现 13

2.2.2　零阶保持器 13

2.2.3　一阶保持器 15

2.3　过采样和不足采样 16

2.3.1　不足采样——频率混淆 16

2.3.2　选取采样周期的实际考虑 17

习题 18

第三章　Z变换 19

3.1　Z变换定理及计算方法 19

3.1.1　Z变换定义 19

3.1.2　基本函数的Z变换 19

3.1.3 求Z变换表达式的一般计算方法 21

3.1.4 Z变换的基本定理 23

3.2 Z反变换 28

3.2.1 幂级数法 29

3.2.2 部分分式法 29

3.2.3 反演积分法 31

3.2.4 用Z变换求解差分方程 32

3.3 线性离散系统的脉冲传递函数 34

3.3.1 脉冲传递函数的定义 34

3.3.2 脉冲传递函数的代数运算规则 36

3.3.3 Z变换法分析闭环系统的响应特性 41

3.4 具有时间延迟系统的脉冲传递函数计算 44

习题 46

第四章 计算机控制系统的分析 49

4.1 线性定常离散系统的稳定性分析 49

4.1.1 z平面的稳定性条件 49

4.1.2 朱利（Jury）判据 50

4.1.3 W变换的稳定性判据 52

4.2 s平面和z平面之间的变换 53

4.3 离散系统的稳态误差 56

4.3.1 离散系统的增益 56

4.3.2 采样时刻的稳态误差分析 57

4.3.3 采样周期对稳态误差的影响 60

4.4 线性定常离散时间控制系统的频率特性 61

4.5 W变换和伯德图 63

4.5.1 W变换 63

4.5.2 伯德图 64

习题 66

第五章 计算机控制系统的经典控制理论设计 67

5.1 离散与连续等效设计方法 67

5.1.1 各种离散化方法 67

5.1.2 离散与连续等效的设计方法 75

5.1.3 预先补偿零阶保持器相位迟后的系统设计方法 76

5.1.4 离散等效系统的稳态误差系数 77

5.1.5 采样周期T的选取 78

5.2 w平面设计方法 78

5.3 根轨迹设计方法 81

5.4 数字PID控制器设计 87

5.4.1 数字PID控制算法 87

5.4.2　数字PID控制器基本结构 88

5.4.3　数字PID控制算法的改进 89

5.4.4　数字PID控制参数的整定 91

5.5　按最少拍原理设计随动系统 94

5.5.1　最少拍随动系统设计 94

5.5.2　最少拍无波纹随动系统设计 99

5.6　达林算法 100

5.7　史密斯预估算法 103

5.8　数字控制系统设计举例 106

5.8.1　磁悬浮球数字控制系统 106

5.8.2　恒温箱温控数字控制系统 108

习题 111

第六章　计算机控制系统的现代控制理论设计 113

6.1 离散时间系统的状态空间分析 113

6.1.1 线性定常离散时间系统的状态方程 113

6.1.2　连续状态方程的离散等效 117

6.1.3　求解离散状态方程 118

6.1.4　状态方程与脉冲传递函数的关系 118

6.1.5　具有时间延迟系统的状态方程模型 119

6.2　离散控制系统的可控性和可观测性 121

6.2.1 离散线性定常系统的可控性 121

6.2.2　离散线性定常系统的可观测性 122

6.2.3　可控性、可观测性的几个特性 123

6.3　极点配置和观测器 126

6.3.1 采用状态反馈实现闭环系统的极点配置 126

6.3.2　状态观测器设计 127

6.3.3　降阶观测器 129

6.4　离散系统的极大值原理 130

6.4.1　无约束离散系统的极大值原理 130

6.4.2　有约束离散系统的极大值原理 132

6.5　动态规划 133

6.5.1　最优性原理 133

6.5.2　动态规划基本递推公式 135

6.6　线性定常离散系统二次型最优控制 138

6.6.1　有限长时间线性数字调节器 138

6.6.2　无限长时间线性数字调节器 141

习题 141

第七章　过程通道 146

7.1　过程通道的功能和类型 146

7.2　模拟量输入通道 146

7.2.1　模拟量输入通道的结构形式 146

7.2.2 A/D转换器原理 147

7.2.3 A/D转换器的主要特性参数 150

7.2.4 A/D转换器与CPU的连接 150

7.2.5 输入过程通道及其主要部件 152

7.3 模拟量输出通道 153

7.3.1 模拟量输出通道的结构形式 153

7.3.2 D/A转换器原理 154

7.3.3 D/A转换器的主要特性参数 155

7.3.4 D/A转换器与CPU的连接 155

7.4 数字量输入输出通道 156

第八章 数据采集及处理 158

8.1 基本的数据采集系统 158

8.1.1 数据采集系统的基本功能 158

8.1.2 设计数据采集系统主要涉及到的一些主要问题 158

8.1.3 数据采集系统的一般结构 159

8.1.4 数据采集的三种工作方式 160

8.2 数据处理 160

8.2.1 有效性检查 161

8.2.2 数字滤波 161

8.2.3 标度变换 163

8.2.4 非线性处理 165

8.2.5 越限报警 166

第九章 可编程序控制器 168

9.1 概述 168

9.1.1 可编程序控制器的产生与发展 168

9.1.2 可编程序控制器的基本结构 169

9.1.3 可编程序控制器的工作原理 170

9.1.4 可编程序控制器的基本技术指标 171

9.1.5 可编程序控制器的特点 171

9.2 梯形图及其绘制 172

9.2.1　梯形图的符号 172

9.2.2　梯形图的绘制原则 173

9.2.3　控制系统的梯形图设计 174

9.3　可编程序控制器的指令系统 174

9.4　可编程序控制系统的设计 179

9.4.1　可编程序控制系统的设计步骤 179

9.4.2　基本程序环节设计 179

9.5　可编程序控制系统设计实例 181

9.5.1　水泵控制 181

9.5.2　十字路口交通信号灯控制 181

第十章　过程计算机数据通信技术 186

10.1　数据通信基础知识 186

10.1.1　数据传送方式 186

10.1.2　数据传输形式 187

10.1.3　同步技术 189

10.1.4　多路复用技术 192

10.1.5　差错控制技术 192

10.2　通信网络技术 195

10.2.1　通信网络功能及分类 195

10.2.2　网络拓扑结构 196

10.2.3　传输介质 197

10.2.4　网络访问控制技术 199

10.2.5　网络性能要求 200

10.3　通信网络协议 201

10.3.1　OSI/ISO参考模型结构 201

10.3.2　OSI/ISO参考模型各层协议 202

10.4　网络互连 204

10.4.1　网络互连的意义 204

10.4.2　网络互连设备 204

10.5　过程控制串行通信接口技术 206

10.5.1 串行通信接口的基本任务 210

10.5.2　RS-232C通信接口 210

10.5.3　RS-422A/RS-449通信接口 211

10.5.4 RS-485通信接口 212

10.5.5　20mA电流环接口 213

10.6　过程控制现场总线技术 213

10.6.1　现场总线产生背景 214

10.6.2　现场总线的要求及特点 214

10.6.3　CAN总线 215

10.6.4　LonWorks控制网络 219

10.7　计算机局域网 223

10.7.1　局域网标准组成及参考模型 223

10.7.2　典型局域网——以太网 224

第十一章　计算机控制系统的可靠性 228

11.1　概述 228

11.2　系统方案设计时可靠性原则 229

11.3　抗干扰技术 230

11.3.1　干扰的基本概念 230

11.3.2　接地技术 231

11.3.3　屏蔽技术 232

11.3.4　隔离技术 233

11.3.5 串模干扰的抑制 234

11.3.6　共模干扰的抑制 235

11.3.7　长线传输的抗干扰问题 238

11.3.8　电源干扰的抑制 241

11.4　软件可靠性技术 244

11.4.1 利用软件提高系统的可靠性 244

11.4.2　提高软件自身的可靠性 245

11.5　冗余技术 245

11.6　故障自诊断技术 246

参考文献 248